具有改进的渗透性和去除病毒能力的过滤器的制作方法

专利名称：具有改进的渗透性和去除病毒能力的过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及过滤材料领域和那些材料制成的过滤器的领域。更具体地讲，本发明涉及水过滤器领域。
背景技术：
水可包含许多不同种类的污染物，包括例如颗粒、化学物质以及诸如细菌、病毒和原生动物之类的微生物体。在多种情况下，在水可饮用之前，必须减小这些污染物的浓度或者完全去除这些污染物。例如，在许多医疗应用领域和在某些电子元件的制造过程中，需要使用高度纯净的水。另外一个更为普遍的实施例是，在水可饮用即适于饮用之前，必须将任何有害污染物从水中除去。
世界各地的水质差别很大。在美国和其它发达国家，饮用水典型地经过市政处理。处理时，在水流到消费者家中之前，从水中除去诸如悬浮固体、有机物质、重金属、氯、细菌、病毒和原生动物之类的污染物。然而，设备故障和/或基础设施损坏以及与水处理设施有关的其它问题可导致污染物的去除不完全。
许多发展中国家没有水处理设施。因此，由于许多发展中国家人口密度不断增加、水资源日益匮乏并且没有水处理设施，与受污染的水接触导致了致命的后果。
由于饮用水源普遍与人和动物的排泄物非常接近，因此微生物污染是影响健康的一个主要问题。水生微生物污染，估计每年会造成大约六百万人死亡，其中有一半是5岁以下的儿童。1987年，美国环境保护局(本文简称“EPA”)提出了“Guide Standard and Protocol for TestingMicrobiological Water Purifiers”。此指导标准和协议为饮用水处理系统提供了指导方针和性能要求，所述饮用水处理系统设计用于减少公用或家用供水系统中关系健康的具体污染物。要求从水处理系统流出的水显示具有99.99％(或相当于4log)的病毒去除率、99.9999％(或相当于6log)的细菌去除率和99.9％(或相当于3log)的原生动物(孢囊)去除率，才能够满足要求。
按照EPA指导标准和协议，在病毒的情况下，流入浓度应该为每升约1×107病毒(PFU/L)，而在细菌的情况下，流入浓度应该为每升约1×108细菌(CFU/L)。由于大肠杆菌(大肠杆菌，细菌)在供水中普遍存在，并且其被饮用后将产生相关风险，所以在多数研究中将这种微生物用作细菌。类似地，MS-2细菌噬菌体(或简称为MS-2噬菌体)典型地用作病毒去除的代表性微生物，因为它的大小和形状(即，约26nm和为二十面体)与很多病毒相似。因此，过滤器去除MS-2噬菌体的能力可证明它去除其它病毒的能力。
相关领域的技术人员认为，小悬浮颗粒(例如细菌和病毒)最好用在过滤颗粒间具有小间隙空间的过滤器来过滤掉。过滤颗粒间的小空隙最好由过滤颗粒的密堆积来实现。实现密堆积的一种方式描述于以Tremblay等人名义公布的PCT申请WO 00/71467 A1，该申请提出用小颗粒填充较大颗粒之间的空隙。这通过使用具有两种模式粒度分布的过滤颗粒来提供密堆积。此外，分别授予Koslow等人和Kuennen等人的美国专利5,922,803和6,368,504 B1，提出的一般原则是使用具有窄粒度分布的过滤颗粒，即通常全都同样大小的颗粒，来确保颗粒间的间隙空间相对一致。这两个窄粒度分布专利的平均粒度在80μm至45μm的范围内。这些专利描述了这样的过滤器，它们或者由通过过滤器的高压降实现较高程度的病毒去除，或者因为平均过滤颗粒粒度相对较大(尽管粒度分布是窄的)，所以实现低程度的病毒去除。
通过过滤器的高压降可导致水流减少和过滤器使用者消极认为的其它问题。据信借助于较小的粒度，例如，小于45μm会进一步增加通过过滤器的压降。此外，本领域的技术人员将会知道，压降直接影响通过过滤块的流速。消费者典型使用以固定压力递送到他们家中的水(例如，从市政设施或从它们井中的泵)。因此，产生高压降的过滤块将比产生较小压降的过滤块具有较低的流速。如可意识到的，消费者不喜欢等他们的水很长时间，因此高流速是优选的。同样地，具有低压降的过滤块必然被消费者优选。因此，存在对于过滤器、用于制造过滤材料的方法以及能够从流体中去除细菌和/或病毒的过滤材料的需要，而没有现有技术的过滤器显示具有的压降的不利增加。
发明概述在本发明的一个方面，提供了一种过滤块，所述过滤块具有大于约3.0×10-9cm2的渗透性和大于约99％的F-VLR。优选地，所述渗透性大于约3.5×10-9cm2，更优选大于约4.0×10-9cm2，甚至更优选大于约4.5×10-9m2，并且最优选大于约5.0×10-9cm2。F-VLR优选大于约99.9％，更优选大于约99.99％，甚至更优选大于约99.999％，并且最优选大于约99.9999％。此外，优选本发明的过滤块具有大于约99.99％，优选大于约99.999％，更优选大于约99.9999％的F-BLR。
在本发明的另一个方面，通过由中值粒度小于约50μm，优选小于约40μm，更优选小于约37.5μm，甚至更优选小于约35μm的过滤颗粒制成过滤块，获得优选的过滤器渗透性。在本发明的另一个方面，过滤颗粒具有约1.8或更小，优选1.5或更小，更优选1.4或更小，甚至更优选1.3或更小的颗粒跨度。
已经令人惊讶地确定，过滤器渗透性是用于调节通过过滤器的压降，同时改进小悬浮颗粒如细菌和病毒的去除的一个重要参数。如上文所论述，通常认为小悬浮颗粒去除的改进只有在损害过滤器流动性能的情况下才出现。本发明证明情况并不是这样，并且同样提供了超出现有技术所提出的基本有益效果。更具体地讲，本发明为过滤器的制造商和设计者提供了过滤器参数，所述参数使小悬浮颗粒的去除最优化，而过滤器流动特性只有少许降低或没有降低。还提出了制造过滤器的方法和其中所用的过滤材料。
附图简述虽然本说明书通过特别指出并清楚地要求保护本发明的权利书要求作出结论，但应该相信由下列说明并结合附图可更好地理解本发明，其中

图1是通过径向过滤块流动的示意图2是通过轴向过滤块流动的示意图；和图3是适用于本发明过滤器的压力/流量控制装置的示意图。
优选实施方案详述所有引用文献的相关部分均引入本文以供参考。任何文献的引用不可解释为是对其作为本发明的现有技术的认可。
I.定义本文所用术语“过滤器”和“过滤”分别是指与主要通过吸附和/或大小排除方式将微生物去除(和/或其它污染物去除)至较少程度相关的结构或机理。
本文所用短语“过滤材料”旨在指过滤颗粒的聚集体。形成过滤材料的过滤颗粒聚集体可为同类的或异类的。过滤颗粒可以均匀地或非均匀地分布(例如，不同过滤颗粒的层)在过滤材料内。形成过滤材料的过滤颗粒也无需具有相同的形状或大小，并且可以松散或相互连接的形式提供。例如，过滤材料可包含与活性炭纤维结合的中孔碱性活性炭颗粒，并且这些过滤颗粒或者可以松散结合形式提供，或由聚合粘合剂或其它方式部分地或全部地粘结来形成整体结构。
本文所用短语“过滤颗粒”旨在指用于形成至少部分过滤材料的单个组成部分或部分。例如，纤维、微粒、小珠等在本文都被认为是过滤颗粒。此外，过滤颗粒的大小可变化，从不可触知的过滤颗粒(例如，非常细的粉末)到可触知的过滤颗粒。
本文所用短语“过滤块”旨在指结合在一起形成一种结构的过滤颗粒混合物，所述结构能够过滤液体，例如水、空气、烃等等。同样地，过滤块可包含过滤颗粒、粘合剂颗粒和用于去除诸如铅、汞、砷等特定污染物的其它颗粒或纤维。过滤块的几何形状和流动样式可以变化。径流过滤块和轴流过滤块的实施例描述于本文(参见例如图1和图2)，但其它过滤器构型，例如板状的和圆锥状，对本领域的技术人员将是已知的。本文所给出的实施例只是例证性的，并不旨在限制本发明。通常，但不总是，将过滤块装入“过滤器外壳”中，所述过滤器外壳保护过滤块不被损坏，并且在被过滤的“脏”液体和作为期望产物离开过滤器的“干净”液体之间提供密封。虽然这些密封表面会永久连接到过滤块或与过滤块形成整体，并且对于将干净液体和脏液体隔开是必需的，但是不认为它们是用于本文计算目的的过滤块的部分。
本文所用短语“中值粒度”是指颗粒的直径，其中50％总体积的颗粒低于或超出该直径。中值粒度被指定为Dv，0.50。虽然本领域的技术人员已知许多方法和机器可用于将颗粒分成离散的尺寸，但是筛分法是测定粒度和粒度分布的最容易、最便宜和普通的方法之一。用于测定颗粒粒度分布的可供选择的优选方法是用光散射。此外，短语“颗粒跨度”是给定颗粒样本的统计学表示，并且可计算如下。首先，如上文所述计算中值粒度Dv，0.50。然后用类似的方法，测定将颗粒样本按体积分数在10％分开的粒度Dv，0.10，然后测定将颗粒样本按体积分数在90％分开的粒度Dv，0.90。然后颗粒跨度等于(Dv，0.90-Dv，0.10)/Dv，0.50。
本文所用短语“过滤块孔容积”是指过滤块中大小大于0.1μm的粒间孔(也称为间隙空间)的总容积。
本文所用短语“过滤块体积”是指过滤块孔容积和被过滤颗粒占据的体积之和。即，过滤块体积是基于过滤块外形尺寸计算的过滤块总体积。例如，在图1中，过滤块体积计算为πLr(r22-r12)，而在图2中，过滤块体积计算为πLara2本文所用单位一般为cm，但是本领域的技术人员将意识到，任何适当的长度单位都可用于L和r。
本文所用术语“微生物”、“微生物体”、“微生物的”和“病原体”可互换使用。这些术语是指具有细菌、病毒、寄生虫、原生动物和病菌特征的多种微生物。
本文所用短语“过滤器细菌Log去除(F-BLR)”是指在液体的体积流量等于至少10倍过滤块体积，并且通过过滤块的液体流速等于至少600mL/min之后，过滤器的细菌去除能力。定义和计算F-BLR如下F-BLR＝-log[(大肠杆菌的流出浓度)/(大肠杆菌的流入浓度)]，式中“大肠杆菌的流入浓度”在整个试验中一直设定为约1×108CFU/L，并且在通过过滤块的液体体积流量等于至少10倍过滤块体积后，测定“大肠杆菌的流出浓度”。F-BLR的单位为“log”(其中“log”是对数)。注意，如果流出浓度低于化验所用技术的检测极限，则认为用于F-BLR计算的流出浓度为检测极限。同样，注意F-BLR是在未使用提供杀菌效果的化学试剂的情况下测得的。
本文所用短语“过滤器病毒Log去除(F-VLR)”是指在液体的体积流量等于至少10倍过滤块体积，并且通过过滤块的液体流速等于至少600mL/min之后，过滤器的病毒去除能力。定义和计算F-VLR如下F-VLR＝-log[(MS-2的流出浓度)/(MS-2的流出浓度)]，式中“MS-2的流入浓度”在测试始终一直设定为约1×107PFU/L，并且在通过过滤块的液体的体积流量等于至少10倍过滤块体积后，测定“MS-2的流出浓度”。F-VLR的单位为“log”(这里“log”是对数)。注意，如果流出浓度低于化验所用技术的检测极限，则认为用于F-VLR计算的流出浓度为检测极限。同样注意，F-VLR是在未使用提供杀菌效果的化学试剂的情况下测得的。
本文所用术语“微孔”旨在指宽度或直径小于2nm(或相当于20)的颗粒内的孔。
本文所用术语“中孔”旨在指宽度或直径在2nm和50nm之间(或相当于在20和500之间)的颗粒内的孔。
本文所用术语“大孔”旨在指宽度或直径大于50nm(或相当于500)的颗粒内的孔。
本文所用短语“总孔容积”及其派生词旨在指所有颗粒内的孔，即微孔、中孔和大孔的容积。总孔容积计算为，在相对压力为0.9814的条件下，使用BET方法(ASTM D 4820-99标准)吸附氮的体积，BET方法是一种本领域所熟知的方法。
本文所用短语“微孔容积”及其派生词旨在指所有微孔的容积。微孔容积由在相对压力为0.15的条件下，使用BET方法(ASTM D 4820-99标准)吸附氮的体积计算，BET方法是一种本领域所熟知的方法。
本文所用短语“中孔和大孔容积之和”及其派生词旨在指所有中孔和大孔的容积。中孔与大孔容积之和等于总孔容积与微孔容积之差，或相当于，由在相对压力分别为0.9814和0.15的条件下，使用BET方法(ASTM D 4820-99标准)吸附氮的体积之差计算，BET方法是一种本领域所熟知的方法。
本文所用术语“中孔范围内的孔径分布”旨在指由Barret、Joyner和Halenda(BJH)方法计算得到的孔径分布，BJH方法是一种本领域所熟知的方法。
本文所用术语“碳化”及其派生词旨在指减少含碳物质中非碳原子的方法。
本文所用术语“活化”及其派生词旨在指使得碳化物质更为多孔的处理方法。
本文所用术语“活性炭颗粒”或“活性炭过滤颗粒”及其派生词旨在指已经历活化过程的炭颗粒。
本文所用短语“中孔活性炭过滤颗粒”是指一种活性炭过滤颗粒，其中中孔和大孔容积之和可大于0.12mL/g。
本文所用短语“微孔活性炭过滤颗粒”是指一种活性炭过滤颗粒，其中中孔和大孔容积之和可小于0.12mL/g。
本文所用短语“中孔碱性活性炭过滤颗粒”旨在指一种活性炭过滤颗粒，其中中孔和大孔容积之和可大于0.12mL/g，并且零电荷点大于7。
本文所用短语“轴流”是指通过一个平表面并且垂直于该表面的流动。
本文所用短语“径流”典型指通过基本圆柱形或基本圆锥形表面，并且垂直于那些表面的流动。
本文所用短语“正面区域”是指过滤材料最初暴露于流入水的区域。例如，在轴流过滤器的情况下，正面区域是过滤材料在流体入口处的横截面区域，而在径流过滤器的情况下，正面区域是过滤材料的外部区域。
II.渗透性已出乎意料地测定到，过滤块设计的一个关键参数是过滤器的渗透性。如上文所论述，先前尝试制造去除小(即，亚微米)悬浮颗粒的过滤块，导致过滤块具有不良的流动特性，更具体地讲，导致通过过滤块的高压降。结果，这些先前的过滤块具有低渗透性，参见例如本文实施例部分的表1。
渗透性是过滤块的固有特性，它可根据给定的流速、通过过滤块的压降、过滤后流体的粘度和过滤块的一般几何形状来计算。以下两个化学式可用于计算径流和轴流过滤块的渗透性，这两种过滤块是最常用的过滤块和本文所公开过滤块的优选构型。本领域的技术人员将能够容易使这些化学式适用于其它过滤块几何形状。
径流过滤块的渗透性计算为κr=μ2πln(r2/r1)LrQrΔPr,]]>而轴流过滤块的渗透性计算为κa=μπLara2QaΔPa,]]>其中Qr是径向流速，Qa是轴向流速(以mL/s或cm3/s表示)，μ是粘度(以泊或达因-s/cm2表示)，ln是自然对数，ra是轴流过滤器的半径，r2是径流过滤器的外半径，r1是径流过滤器的内半径(都以cm表示)，ΔPr是径流过滤器的压降，ΔPa是轴流过滤器的压降(以达因/厘米2表示)，Lr是径流过滤器的长度，并且La是轴流过滤器的长度(以cm表示)。
现在转向图1，它是如本发明所述径流过滤块10的示意图，显示被指定为Qr的入口或“脏”水流12进入外表面区域14，它具有被指定为r2的外部半径或外半径15。水流12通过过滤块10移动到内部空核16，它具有被指定为r1的内部半径17。然后过滤的或“干净”水流18向下通过空核16流入收集槽(未示出)。过滤块10具有被指定为Lr的长度11。
现在转向图2，它是如本发明所述轴流过滤块20的示意图，显示被指定为Qa的入口或“脏”水流22进入顶部表面或正面区域24，该区域具有被指定为ra的半径25。水流22通过过滤块20流到底部表面26。然后过滤的或“干净”水流28流入收集槽(未示出)。过滤块20具有被指定为La的长度21。轴向过滤块20的外表面区域13典型是密封的，使得被过滤的液体必须经过过滤块20的整个轴向长度。
在本发明的一个优选的方面，过滤块的外半径，即ra或r2小于约10cm，优选小于约7.5cm，并且更优选小于约5cm。此外，优选过滤块体积小于约2000mL，优选小于约1000mL，更优选小于约200mL，更优选小于约100mL，甚至更优选小于约50mL。本领域的技术人员将会知道，径向过滤块的体积不包括空核的容积。
III.过滤颗粒可用于本发明的优选过滤颗粒是碳颗粒，更优选的是活性炭颗粒，并且甚至更优选的是中孔活性炭颗粒。对于中孔活性炭过滤颗粒的详细描述和进一步说明，参见以下印刷出版物和共同未决的专利申请PCT申请US02/27000、US02/27002、US03/05416、US03/05409，美国专利申请10/464,210、10/464,209、10/705572和10/705174，全部都以Mitchell等人的名义提交，并且全部转让给the Procter & GambleCo.。所有上述申请均全文引入本文以供参考。
已出乎意料地发现，与微孔活性炭过滤颗粒相比，中孔活性炭过滤颗粒能吸附更大量的微生物。同样，已出乎意料地发现，与中孔酸性活性炭过滤颗粒吸附的微生物相比，中孔碱性活性炭过滤颗粒能吸附更大量的微生物。此外，已出乎意料地发现，与没有降低本体氧重量百分比的中孔碱性活性炭过滤颗粒吸附的微生物相比，中孔碱性降低氧的活性炭过滤颗粒能吸附更大量的微生物。
本领域的技术人员将会知道，适用于本发明的过滤颗粒包括上文直接列出的优选颗粒，以及选自以下的其它物质活性炭粉末、活性炭微粒、活性炭纤维、沸石、活性氧化铝、活性氧化镁、硅藻土、银颗粒、活性二氧化硅、水滑石、玻璃、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、乙烯马来酸酐共聚物纤维、沙子、粘土、以及它们的混合物。
实现本发明过滤块的期望渗透性的一种优选方法，但决不是唯一方法，是通过控制中值粒度和降低过滤颗粒的颗粒跨度。具体地讲，可通过由中值粒度小于约50μm，优选小于约40μm，更优选小于约37.5μm，甚至更优选小于约35μm的过滤颗粒制成过滤块来获得优选的渗透性。此外，也优选过滤颗粒的颗粒跨度为约1.8或更小，优选1.5或更小，更优选1.4或更小，甚至更优选1.3或更小。
如本文所述，本发明的过滤块通常包含过滤颗粒和粘合剂。在本发明的一个优选方面，按重量计至少约50％，优选至少约60％，更优选至少约70％，甚至更优选至少约80％的过滤颗粒为活性炭颗粒。本领域的技术人员将会知道，活性炭颗粒不包括活性炭纤维，虽然两者都是较宽过滤颗粒分类的小类。最好由纵横比来区分纤维和颗粒，即纵横比大于约4∶1的过滤颗粒通常被分类为纤维，而纵横比为约4∶1或更小的过滤颗粒通常被认为是颗粒。
IV.涂敷的过滤颗粒用来制造本发明的过滤块和过滤器的过滤颗粒，可用多种提供确定有益效果的物质来涂敷。例如，Mitchell等人的美国申请10/705572和10/705174提出多种适用于本发明的金属涂层和阳离子涂层。这些涂层提供病毒和细菌去除有益效果。
当使用涂敷的过滤颗粒时，优选至少一部分过滤颗粒用选自以下的物质涂敷银、含银物质、阳离子聚合物，以及它们的混合物。用于本发明的优选阳离子聚合物选自聚N-甲基乙烯基胺、聚烯丙基胺、聚烯丙基二甲基胺、聚二烯丙基甲基胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚乙烯基氯化吡啶、聚2-乙烯基吡啶、聚4-乙烯基吡啶、聚乙烯基咪唑、聚4-氨基甲基苯乙烯、聚4-氨基苯乙烯、聚乙烯基(丙烯酰胺共二甲基氨基丙基丙烯酰胺)、聚乙烯基(丙烯酰胺共二甲基氨基乙基异丁烯酸酯)、聚乙烯亚胺、聚赖氨酸、DAB-Am和PAMAM树枝状聚合物、聚氨基酰胺、聚六亚甲基双胍、聚二甲胺-环氧氯丙烷、氨基丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-三甲基氯化铵、双(三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、脱乙酰壳多糖、接枝淀粉、聚乙烯亚胺被氯甲烷烷基化的产物、聚氨基酰胺与环氧氯丙烷的烷基化反应产物、含阳离子单体的阳离子聚丙烯酰胺、二甲基氨乙基丙烯酸酯甲基氯化物(AETAC)、二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯甲基氯化物(METAC)、丙烯酸酰氨基丙基三甲基氯化铵(APTAC)、异丁烯酸酰氨基丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)、二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)、紫罗烯、硅烷，以及它们的混合物。阳离子聚合物优选选自聚氨基酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚二甲基胺-环氧氯丙烷、聚六亚甲基双胍、聚2-(2-乙氧基)-乙氧基乙基氯化胍。
除了上文所述的可以帮助去除或杀灭病毒和细菌的涂层之外，还可以添加涂层来改进过滤块的流动特性，从而影响过滤块的渗透性。例如，可将减阻聚合物施用到过滤块上，来减小通过过滤块的压降。减阻聚合物的非限制性实施例包括线型聚合物，如聚乙烯胺、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、部分水解的聚丙烯酰胺和聚环氧乙烷。其它实施例将对本领域的技术人员已知。
V.本发明的过滤器适用于本发明的过滤器构型、饮用水设备、用水器具和其它水过滤装置的实施例，公开于美国专利5,527,451、5,536,394、5,709,794、5,882,507、6,103,114、4,969,996、5,431,813、6,214,224、5,957,034、6,145,670、6,120,685和6,241,899，其内容引入本发明以供参考。此外，上文所参考并且引入本发明以供参考的专利和申请，提出可适用于本发明的过滤器。制造本发明过滤块的一个优选方法下面在实施例部分描述。
除了本文所公开的过滤块之外，本发明的过滤器还可以包括其它过滤器体系，它们包括反渗透体系、紫外光体系、臭氧体系、离子交换体系、电解水体系，以及本领域的技术人员已知的其它水处理体系。同样，本发明的过滤器可包括包裹在过滤块周围的预过滤器，以防止过滤块被悬浮颗粒堵塞。此外，本发明的过滤器可包括指示体系和/或关闭阀体系，以向消费者指出过滤器的剩余寿命/能力，并且在过滤器的剩余寿命/能力为零时关闭过滤器。
如前所论述，可以松散或互相连接的形式(例如，由聚合粘合剂或其它方式部分或全部粘合形成的整体结构)提供过滤材料。
通过改变上文所论述的过滤颗粒的大小、形状、络合物构成、电荷、孔隙率、表面结构、官能团等等，可使过滤材料用于不同的用途(例如，用作预过滤器或后过滤器)。如刚刚描述的，过滤材料也可与其它材料混合，以使它适合于特殊用途。不管过滤材料是否与其它材料混合，它都可用作松散床层、块(包括引入本文以供参考的美国专利5,679,248所述的共挤出块)以及它们的混合物。过滤材料可能使用的优选方法，包括形成由陶瓷-碳混合物制成的过滤块(其中结合力来自陶瓷制品的烘烤)、使用非织造材料间的粉末，如描述于引入本文以供参考的美国专利6,077,588、使用湿强度方法，如描述于引入本文以供参考的美国专利5,928,588、活化形成块的树脂粘合剂(其引入本文以供参考)、或者通过使用电阻加热方法，如描述于PCT申请系列WO 98/43796。本发明的过滤块可由本领域的技术人员已知的标准挤出方法制造。此类方法描述于授予Koslow等人的美国专利5,331,037，该文献引入本发明以供参考。
高渗透性过滤器体系中的流速，可用流量或压力控制装置来控制。压力/流量控制装置包括压力调节器，其控制输入压力或通过过滤器的压降。直通流量控制装置产生取决于流速的可变压降。最普通的流量控制装置是流量垫圈，例如，如图3所示的30。流量垫圈30典型为厚弹性垫圈31，中心有一个孔口32。流量垫圈30被支撑在它的周边33，并且响应入口水流34弯成凹面形状。流速越大，挠曲越大。当流量垫圈30挠曲时，它导致孔口35的上游表面的尺寸减小(压降增大)，从而控制出口流速36。
VI.过滤块实施例如本发明所述制造过滤块，并且例示于下文。这些实施例不旨在以任何方式限制本发明。实施例1至4的渗透性和其它计算参数在下表1中给出。此外，表1包括来自现有技术公布的三个比较实施例。这三个比较实施例不旨在作为目前技术水平的详尽代表。
下面实施例1至4中的过滤块由以下压缩模塑法和设备制造。使用过滤器气动压力机，它由两端垂直安装的滚筒压力机、下部活塞和上部活塞组成。滚筒压力机镗孔直径为5.1cm(2″)，长度为7.6cm(3″)。下部活塞由3.8cm(1.5″)直径和7.6cm(3″)长度的气压缸(MosierFluid Power，Ohio，Miamisburg，OH；型号#EJ0155A1)驱动，而上部活塞由3.8cm(1.5″)直径和10.2cm(4″)长度的气压缸(MosierFluid Power，Ohio，Miamisburg，OH；Model#EJ0377A3)驱动。用购自Omron Corp.(Schaumburg，IL；型号#E5CS)的热控制器加热上部活塞和下部活塞，并且由购自Fast Heat，Inc.(Elmhurst，IL；型号#BW020000)的带式加热器加热滚筒压力机。带式加热器控制器是购自Statco Energy Products，Co.，Dayton，OH的自耦变压器(型号#3PN1010)。
大约42g的碳与大约13.2g购自Equistar Chemicals，Inc.(Cincinnati，OH)的Microthene低密度聚乙烯(LDPE)FN510-00粘合剂和大约4.8g的购自Selecto，Inc.(Norcross，GA)的Alusil70硅铝酸盐粉末混合。这样，总的碳混合物为约60g。在上部活塞完全缩回并且下部活塞在完全降下位置时，用碳混合物填充滚筒压力机，并且轻轻拍打滚筒压力机壁，使混合物变紧。将滚筒压力机从后填充至满，并且刮平混合物。慢慢降下上部活塞，完全啮合至0.41MPa(60psi)压力，并且保持几秒钟。然后，将压力降到接近零，并且慢慢缩回上部活塞。再一次，用更多的碳混合物填充滚筒压力机，轻轻拍打滚筒压力机壁，并且刮平混合物，慢慢降下上部活塞至完全啮合，并且将压力升高到0.41MPa(60psi)。再重复这个过程一次，用碳混合物完全装满该滚筒压力机。在第三次填充之后，0.41MPa(60psi)压力保持在上部活塞上。然后开启滚筒热控制器，将温度设定到204℃(400)。也开启带式加热器，将控制的自耦变压器设定到70％或大约288℃(550)。加热循环持续10分钟。在加热循环的结尾，关掉三个加热器，使压力机能够由空气作用冷却大约10分钟，其中空气通过上部活塞和下部活塞，然后从滚筒压力机拔出过滤器。拔出的过滤器尺寸为5.1cm(2″)外径和约6.4cm(2.5″)长。最后，通过钻一个中心洞将过滤器制成径流过滤器，然后在车床中将过滤器的外径减小至最终直径。
在下文所有的实施例中，所用的液体是水，它的粘度为0.01泊，或0.01达因-s/cm2。
实施例1NucharRGC中孔碱性的木材基活性炭颗粒样本从MeadWestvacoCorp.(Covington，VA)获得。用本领域已知的普通光散射方法测定碳颗粒的粒度分布，结果如下Dv，0.50＝33.2μm，Dv，0.10＝15.6μm，Dv，0.90＝63.4μm，颗粒跨度＝1.44。过滤颗粒不是涂敷的。将它们与粘合剂混合，并且压模以形成具有以下尺寸的径流过滤块外半径(r2)＝1.9cm(0.75″)，内半径(r1)＝0.48cm(0.188″)，长度＝5.8cm(2.3″)。过滤块体积为62cm3(62mL)，而它的正面面积为70cm2。为了测定过滤块渗透性，使用以下条件流速Qr＝625mL/min(10.4cm3/s)，压降ΔPr＝0.12MPa(18psi，或1.24*106达因/厘米2)。过滤块的渗透性计算为3.30×10-9cm2。依照本文所述的方法测定过滤块的F-VLR，该测量的结果为病毒减少量为4.3log，即大于99.99％的病毒去除率。
实施例2NucharRGC中孔碱性的木材基活性炭颗粒样本从MeadWestvacoCorp.获得。用本领域已知的普通光散射方法测定碳颗粒的粒度分布，结果如下Dv，0.50＝33.2μm，Dv，0.10＝15.6μm，Dv，0.90＝63.4μm，颗粒跨度＝1.44。碳颗粒涂敷有聚乙烯胺(PVAm)。将它们与粘合剂混合，并且压模以形成具有以下尺寸的径流过滤块外半径(r2)＝1.9cm(0.75″)，内半径(r1)＝0.48cm(0.188″)，长度＝5.8cm(2.3″)。过滤块体积为62cm3(62mL)，而它的正面面积为70cm2。为了测定渗透性，使用以下条件流速Qr＝940mL/min(15.7cm3/s)，压降ΔPr＝0.10MPa(15psi，或1.03*106达因/厘米2)。过滤块的渗透性计算为5.72×10-9cm2。依照本文所述的方法测定过滤块的F-VLR，该测量的结果为病毒减少量为4.0log，即，99.99％的病毒去除率。
实施例3NucharRGC中孔碱性的木材基活性炭颗粒样本从MeadWestvacoCorp.获得。通过本领域已知的普通筛分方法将碳颗粒分开，获得以下由光散射检验的粒度分布Dv，0.50＝48.8μm，Dv，0.10＝18.2μm，Dv，0.90＝78.2μm，颗粒跨度＝1.23。碳颗粒不是涂敷的。将它们与粘合剂混合，并且压模以形成径流过滤块，它和实施例1和2中的过滤块具有相同的尺寸、过滤块体积和正面面积。为了测定渗透性，使用以下条件流速Qr＝625mL/min(10.4cm3/s)，压降ΔPr＝0.08MPa(12psi，或0.83*106达因/厘米2)。过滤块的渗透性计算为4.75×10-9cm2。依照本文所述的方法测定过滤块的F-VLR，该测量的结果为病毒减少量为4.2log，即大于99.99％的病毒去除率。
实施例4具有不同粒度分布的NucharRGC中孔碱性的木材基活性炭颗粒的两个样本从MeadWestvaco Corp.获得。将两个样本共混在一起，所得粒度分布用光散射测定如下Dv，0.50＝103.6μm，Dv，0.10＝23.8μm，Dv，0.90＝233.1μm，颗粒跨度＝2.02。碳颗粒涂敷有聚乙烯胺(PVAm)。将它们与粘合剂混合，并且压模以形成径流过滤块，它和实施例1、2和3中的过滤块具有相同的尺寸、过滤块体积和正面面积。为了测定渗透性，使用以下条件流速Qr＝625mL/min(10.4cm3/s)，压降ΔPr＝0.055MPa(8psi，或0.55*106达因/厘米2)。过滤块的渗透性计算为7.13×10-9cm2。依照本文所述的方法测定所得过滤块的F-VLR，该测量的结果为病毒减少量为4.2log，即，大于99.99％的病毒去除率。
下表1给出上文例示的四个过滤块和得自现有技术公布的三个过滤块的渗透性。也给出关于这些过滤块的另外信息。
表1
*来自公布的专利和申请的实施例实施例5＝授予Mitchell等人的美国专利公布2003/0217963A1中的实施例3实施例6＝来自授予Koslow等人的美国专利6,395,190中的实施例实施例7＝授予Tochikubo等人的美国专利公布2003/0034290 A1中的第一实施方案对于实施例5、6和7，粒度分布公开为重量分数而不是体积。但是本领域的技术人员将会知道，对于一类颗粒的样本，如在这三个实施例的每个中的情况，颗粒的密度将会是相同的，因此体积的粒度分布将会与基于重量的粒度分布相同。
未知＝这些参数不能由所公布文献中的信息确定。
除了实施例6由挤出方法制造，表1中的所有块都是压模制成的。
在这些实施例的任一个中，都没有使用金属生物杀灭剂VII.测试和计算过程使用以下测试过程来计算F-VLR和F-BLR。
F-BLR测试过程将待测试的过滤块安装到适合过滤块和它的流动特性(轴向、径向，等等)的外壳内，并且被大约1×108CFU/L大肠杆菌污染的水以至少约600mL/min的流速流经。在通过过滤块的液体的体积流量等于至少10倍过滤块体积之后，测量流出的水。所用的大肠杆菌为ATCC#25922(American Type Culture Collection，Rockville，MD)。可使用膜滤器技术，依照American Public Health Association(APHA)，Washington，DC出版的“Standard Processes for the Examination ofWater and Wastewater”第20版中的方法#9222，对大肠杆菌进行化验，该文献的内容引入本文以供参考。也可以采用本领域所知的其它化验方法来代替(如COLILERT)。当用膜滤器技术测量时，检测极限(LOD)为约1×102CFU/L，当用COLILERT技术测量时则为约10CFU/L。在水流过约最初2,000倍过滤材料孔容积后，收集流出的水，并且化验，对存在的大肠杆菌细菌计数，然后使用定义计算F-BLR。
F-VLR测试过程外壳与上文F-BLR过程中所述的那些相同。被大约1×107PFU/L MS-2污染的水，以至少约600mL/min的流速，流经外壳/过滤器体系。在通过过滤块的液体的体积流量等于至少10倍过滤块体积之后，测量流出的水。所用的MS-2细菌噬菌体为ATCC#15597B(American Type CultureCollection，Rockville，MD)。可以依照C.J.Hurst在Appl.Environ.Microbiol.，第60卷(第9期)，第3462页(1994年)描述的过程进行MS-2化验，所述文献的内容引入本文以供参考。也可以采用本领域已知的其它化验方法来代替。检测极限(LOD)为1×103PFU/L。在水流过约最初2,000倍过滤材料孔容积后，收集流出的水，并且化验，以对存在的MS-2细菌噬菌体计数，然后使用定义计算F-VLR。
本发明可附加包括信息，所述信息将通过文字和/或通过图画告知消费者，使用本发明的碳过滤颗粒和/或过滤材料将提供包括去除微生物的有益效果，并且该信息可包括优于其它过滤产品的权利要求。在高度可取的变型中，该信息可包括使用本发明提供减少含量的纳米大小微生物。因此，使用带有信息的包装很重要，该信息将通过文字和/或通过图画告知消费者，使用本发明将提供如本文所论述的如适合饮用的水、或更适合饮用的水等有益效果。该信息可包括，例如所有普通媒体中的广告，以及包装上或过滤器自身上的说明和图标，来告知消费者。
发明详述中所有引用文献的相关部分均引入本文以供参考；任何文献的引用并不可理解为是对其作为本发明的现有技术的认可。
本发明对实施方案的选择和描述，用于对本发明的原理及其实际应用提供最佳举例说明，从而使本领域的普通技术人员能够在多种实施方案中利用本发明，并且在为适合设想的特定用途而进行多种修改后利用本发明。当依照公正、合法、平等授权的范围进行解释时，所有这些修改和变化均在由附加的权利要求书确定的本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种过滤块，所述过滤块具有大于约3.0*10-9cm2，优选大于约3.5*10-9cm2，更优选大于约4.0*10-9cm2，甚至更优选大于约4.5*10-9cm2，并且甚至更优选大于约5.0*10-9cm2的渗透性和大于约99％，优选大于约99.9％，优选大于约99.99％，更优选大于约99.999％，并且甚至更优选大于约99.9999％的F-VLR。
2.如权利要求1所述的过滤块，其中所述过滤块包含中值粒度小于约50μm且颗粒跨度为约1.4或更小的过滤颗粒。
3.一种包含过滤颗粒和粘合剂的过滤块，其中所述过滤颗粒基本上由中值粒度小于约40μm，优选小于约37.5μm，并且更优选小于约35μm且颗粒跨度为约1.8或更小，优选1.5或更小，并且更优选1.3或更小的颗粒组成。
4.如权利要求1所述的过滤块，所述过滤块包含过滤颗粒和粘合剂，其中所述过滤颗粒基本上由中值粒度小于约40μm，优选小于约37.5μm，并且更优选小于约35μm的颗粒组成。
5.如权利要求1或4所述的过滤块，所述过滤块包含过滤颗粒和粘合剂，其中所述过滤颗粒基本上由颗粒跨度为约1.8或更小，优选1.5或更小，并且更优选1.3或更小的颗粒组成。
6.如权利要求1所述的过滤块，其中所述过滤块包含过滤颗粒，并且至少一部分所述过滤颗粒选自活性炭颗粒、中孔活性炭颗粒、活性炭粉末、活性炭微粒、活性炭纤维、沸石、活性氧化铝、活性氧化镁、硅藻土、活性二氧化硅、水滑石、玻璃、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、乙烯马来酸酐共聚物纤维、沙子、粘土，以及它们的混合物。
7.如权利要求9所述的过滤块，其中至少一部分所述过滤颗粒用选自以下的物质涂敷银、含银物质、阳离子聚合物以及它们的混合物。
8.如权利要求1所述的过滤块，所述过滤块包含过滤颗粒，所述过滤颗粒为中孔活性炭颗粒，并且其中所述中孔活性炭颗粒的中孔和大孔容积的总和介于约0.2mL/g和约2mL/g之间。
9.如权利要求1所述的过滤块，其中所述过滤块包含过滤颗粒和粘合剂，并且其中按重量计至少约50％，优选至少约60％，更优选至少约70％，甚至更优选至少约80％的过滤颗粒为活性炭颗粒。
10.如权利要求1所述的过滤块，其中所述过滤块包含至少部分涂敷有减阻聚合物的过滤颗粒。
11.一种用于提供饮用水的过滤器，所述过滤器包括(a)具有入口和出口的壳体；(b)如权利要求1所述的过滤块；和(c)压力/流量控制装置。
12.一种套件，所述套件包括i)包括如权利要求1所述的过滤块的过滤器；和ii)用于包含所述过滤器的包装；和其中所述包装或所述过滤器外壳包括的信息是所述过滤器或过滤材料提供去除细菌；去除病毒；去除微生物的；去除微生物、杀灭细菌、杀灭病毒、杀灭微生物的、杀灭微生物、或这些的任意组合。
全文摘要
提供了渗透性大于约3.0*10－9cm2且F－VLR大于约99％的过滤块。所述过滤块可由中值粒度小于约50微米且颗粒跨度为约1.4或更小的过滤颗粒制成。本发明的过滤块可用于制造过滤器和用于过滤液体，更具体地讲用于提供饮用水。过滤颗粒可以为中孔的。还提供了包括过滤器的套盒和涉及杀灭或去除细菌、病毒和微生物的信息。
文档编号B01D39/20GK1950301SQ200580014211
公开日2007年4月18日 申请日期2005年5月5日 优先权日2004年5月6日
发明者D·I·科利斯, S·A·高曼, M·D·米切尔 申请人:Pur水纯化产品公司